低功耗桥接解决方案演绎技术新潮流

低功耗桥接解决方案演绎技术新潮流

Low Power Bridging Solutions

QuickLogic公司 大中国区总经理 王家绪

　　FPGA以其设计灵活，易于修改，且没有掩膜成本，没有最小订单数量限制的特性受到广大系统设计人员的青睐。然而，系统设计人员也面临着诸多挑战，诸如：如何对新标准和附加功能进行匹配、如何解决功耗和带宽问题等。只有真正解决了这些问题，才能最大限度地发挥FPGA的优势。

设计人员面临的挑战

　　系统设计人员面临的难题之一是各种器件之间的互不匹配。处理器局部总线、PCI总线、CF卡、Utopia，以及其他器件都采用各自的协议标准，让单一器件同时支持各种接口标准是设计工程师的迫切需要。同时芯片间接口新标准的层出不穷、附加功能的多样性，使现有产品在满足新接口标准的升级中遇到了挑战。

　　更重要的是，在产品升级的过程中，降低功耗已经成为整个设计流程的迫切要求。

　　因此，如何有效地解决接口多样性带来的桥接问题和如何实现低功耗是器件提供商面临的巨大挑战。

　　本文以Quicklogic的Eclipse II系列为例来说明低功耗的桥接解决方案。

超低功耗的可编程逻辑

　　Eclipse II是超低功耗工业温度标准级FPGA器件，适用于需要在工业温度范围内运行的各种应用。系统容量从4.7万到32万门，在知识产权保护方面，其IP窃取安全保护功能可以对设计者的设计进行妥善保护，使之免受设计窃取行为和逆向设计的困扰。极低的功耗是Eclipse II系列的一大特色，它采用_Watt超低功耗技术，实现了超低动态功耗，待机电流低至14(A，在功耗方面大大优于CPLD和以往的FPGA器件。由于最大限度降低了功耗，使用该器件的系统发热量更小、使用的电池组也更小，系统体积和重量分别得到缩小和减轻，而且容易满足散热要求。

　　作为单芯片解决方案，Eclipse II系列具有瞬间导通能力，无需外部配置存储器。其所有可编程器件都内置了SRAM（可配置为FIFO或双端口RAM），因而它们比没有内置SRAM的CPLD更能满足桥接不同的接口标准的需求。

低功耗设计的工具

　　为了真正在设计中实现低功耗能力，可以使用QuickLogic提供的包括全面整合的QuickWorks(r)设计开发软件包、硬件开发工具和服务。比如说，PowerAware Placer、Power Calculator及Power Simulator可以帮助设计人员规划和测量实际功耗；低功耗参考设计工具集（RDK）可以用于开发原型；以及多种侧重于低功耗应用的IP可以缩短产品设计周期。

　　RDK包括低功耗评估板、软件工具和技术支持服务。我们可以利用低功耗RDK测试FPGA外围的固化功能，同时简便地验证自己的IP；还可以使用低功耗RDK测量实际芯片的设计性能和功耗，以确保芯片完全满足设计目标。工具中先进的Power Calculator（功率计算器）能够自动地计算设计消耗的近似功率。

　　低功耗工具集评估板包括低功耗工具集板和功耗测量子板两个评估板。低功耗工具集评估板使开发人员能够方便地测试FPGA外围的固化功能，同时为开发和验证自己的IP提供了一个易于使用的平台。用户可以用它同时测量实际芯片的设计性能和功耗，并在硬件开发的同时加快进行软件和固件的开发，以确保芯片完全满足设计目标。此外，该工具集还可直接监控所有FPGA I/O引脚，易于连接调试工具、示波器或逻辑分析仪。它还包括完整的RDK手册、电路图、PCB布局图、机械图纸和IP源代码。

　　我们知道，一个软件工具是否优越，易用性在其中占了很大的比重。低功耗工具集采用图形用户界面（GUI），为用户的访问提供了一个易于使用的接口。它提供了所有的操作功能，可测试FPGA的功能，并提供了关于功耗的详细信息，包括动态电流耗用的分时图形，如图3所示。

低功耗桥接应用案例

案例一：处理器与Wi-Fi接口

　　802.11a/b/g已经成为无线数据传输最常用的标准，它最初是为笔记本电脑设计的，如今已经进入视频监控、IP电话、POS终端等应用领域。目前，市场上802.11a/b/g芯片组最常用的接口是PCI。较新的嵌入式微处理器一般都集成了PCI接口，这使得与标准802.11a/b/g芯片组的连接非常便捷。然而，许多旧式处理器一般没有内置PCI接口，只有支持特定处理器的本地总线，甚至仅配备了一个存储器接口。目前，市场上还没有能够与这些特定处理器本地总线直接通信的802.11a/b/g芯片。因此，我们需要利用桥接器件为采用传统处理器的系统增加无线连接功能。此类桥接设备可帮助用户最大限度地利用他们在这些系统的软硬件和IP方面的投资。采用_Watt技术的可编程桥接解决方案可帮助设计者扩展Intel XScale微架构本机外围设备的范围，实现了与Wi-Fi、超宽带和USB2.0等基于PCI的外设的通信。

案例二：处理器与USB2.0接口

　　目前USB已经成为外设与基于微处理器的数字系统连接最常用的标准总线之一，广泛应用于手持设备、机顶盒等领域。现有的微处理器一般都集成了USB1.1控制器。然而，USB2.0的推出使诸如硬盘驱动器或DVD刻录机/驱动器等外设能够以更高的速率传输数据，因此基于USB2.0的外设数量正在不断增加。不过，许多旧式处理器并不支持这一新标准。这就需要采用桥接设备来最大限度地利用在这些处理器的软硬件和IP上的投资。具备_Watt技术的解决方案可为没有配备内置USB2.0或PCI接口的处理器提供完善的方案，可以桥接通用微处理器接口和USB2.0主机控制器的PCI端。

案例三：CardBus宿主设备

　　随着便携式和嵌入式系统变得日益复杂，对于模块化和扩展能力的要求也越来越高。许多便携式系统需要支持一个或两个用于扩充模块的CardBus插槽。标准CardBus宿主设备一般只有一个PCI接口，不能与许多嵌入式处理器无缝地工作。低功耗FPGA可以轻松实现不同嵌入式处理器和CardBus插槽的桥接。

案例四：CardBus卡

　　CardBus是高数据吞吐带宽的移动系统扩展卡的主流标准。设计人员根据规范要求设计CardBus卡时面临着多方面的挑战——最大功率限定在3W，初始化过程的最大电流限定在70mA；同时，卡的高度受到严格限制，而且设计的应用部分必须与支持CardBus标准所有功能的接口器件共享较小的主板空间。采用合适封装的低功耗QuickPCI器件解决了所有上述挑战，可使设计人员以最少的精力投入来进行全功能的CardBus设计。

　　目前，低功耗桥接解决方案已经成功地帮助许多客户在极短的时间内为现有产品增加了附加功能。这些应用包括：无线IP电话、Wi-Fi监控系统、无线POS系统、便携式视频播放器、基于PCI的监控系统和PCI插卡。

结论

　　低功耗及高性能的标准的FPGA日益受到设计人员的青睐，而具有高性能逻辑、专用的SRAM、灵活的时钟架构的产品，为要求超低功耗、小尺寸封装和设计高度安全的FPGA、CPLD和ASIC应用的设计者提供了多样化的解决方案。它在处理器和大批面向便携和手持市场的新兴网络、存储和媒体处理技术之间架起了一座实现低功耗连通的桥梁。它将帮助设计者在进行系统架构设计时平衡对功耗、性能和成本的选择，同时有效地减少风险，加快产品投放市场时间，并减少开发成本。